喷涂机器人机械设计─大臂系统设计

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1、本科毕业设计说明书（ 论文）第I页共I页1弓丨言,11.1喷涂机器人的研究与应用11.2喷涂机器人的特点和组成31.3喷涂机器人发展趋势,41.4课题研究意义52总体方案设计62.1机械结构类型的确定62.2自由度数的确定72.3驱动方式的确疋72.4传动方式的确疋,92.5平衡方式的确定,122.6喷涂机器人总体装配示意图133喷涂机器人大臂设计143.1大臂和小臂臂长的设计143.2大臂臂身的设计,153.3冃系统设,194平衡装置的设计25纟口?匕 ,31致谢32参考文献331引言1. 1喷涂机器人的研究与应用1.1.1 概述从1962年美国研制出第一台工业机器人以来，工业机器人至今已经

2、走过了4Q多年的历程。由于喷涂作业属于有害作业，这些作业的劳动强度大，技术水平要求高，并 且手工喷涂人员会因技术、体力等因素造成产品质量缺陷，因此为了改善劳动条件和 提高产品质量产量降低成本，这个领域中大量地使用了机器人国外从60年代开始研究喷漆机器人，直到60年代末挪威率先推出针对喷漆实际 情况而设计的专用喷漆机器人。从此，喷漆机器人的研制和应用发展十分迅速，喷漆 机器人在工业发达国家 80年代已达到普及阶段。例如美国的FUDGE公司和德国的HATES司以及总部设在瑞士的ABB公司等都生产了各种型号的喷涂机器人。它广泛 地应用于汽车、农机、发动机，工程机械、机床、家电等大、中型企业的实际喷涂

3、作 业2。机器人喷涂作为工业机器人的一个主要应用领域，主要包括喷漆、等离子喷涂、 静电喷涂、高速火焰喷涂等几大类，采用工业机器人喷涂成形工艺，不仅可以改善工 艺操作环境，还可以对喷涂轨迹和过程进行数字化描述、精确控制，从而显著提高喷 涂成形工艺的质量和稳定性。纵观喷涂机器人这几十年的发展，其经历了三次变革：第一次发生在1988年，从液压传动变成电传动，第二次变革是从简单的动作控制到过程控制，第三次变革是 从2000年之后，利用电脑软件控制机器人，实现为客户定制机器人，比如可以控制 机器人喷漆时的空气流量和油漆流量、喷涂范围和形状以及喷涂的色彩种类等等。目前，工业机器人在喷漆方面的应用比例美国可

4、达12%，世界平均可达5.1 %5。我国的喷涂行业特别是在陶瓷行业普遍采用人工作业的方式进行施釉，工人劳动强度大，特别是对工人身体有巨大伤害。而我国的相关的喷涂机器人行业起步较晚， 仅有上海交大研制的上海III号喷涂机器人，国家机械工业局北京自动化所研制的PJ一 1喷涂机器人等几种相关产品。1.1.2 喷涂机器人的应用西方发达国家90年代以来汽车涂装中的各喷涂工序普遍实现了自动化，随着科技的发展，近十年机器人在工业现场已呈现出广泛使用的趋势。由于使用机器人喷涂均 匀性好，重复精确度远远高于人工，因此避免了手工喷涂人员因技术、情绪、体力等 因素造成的产品质量缺陷，使工件喷涂质量有了根本性的保障。

5、由于喷涂作业属于有 害作业，采用机器人作业可大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，同时由于机器 人在喷涂过程中流量、扇面、雾化的大小均可随时调整，可大大减少油漆的损耗，提 高油漆的利用率。喷涂机器人的离线编程技术现已比较成熟，其编程技术已普遍应用于机器人喷 涂。而喷涂机器人智能上也有较大的发展，欧盟曲面喷涂项目已实现了对凸形零件的 自动喷涂。在我国，喷涂机器人主要运用于汽车制造业。静电喷涂、等离子喷涂、冷喷涂等本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页 喷涂技术应用于喷涂机器人上，使其喷涂质量有了一定的提高8,9。而近些年开发出的 柔性仿形自动喷涂系统，使喷涂机器人在汽车生产中越来越高效、高自

6、动化 10。随着ABB公司开发出了小型IRB52喷涂机器人，使喷涂机器人被用于消费类电产 品（苹果公司的IPOD的喷涂。继喷涂机器人用于消费电子产品的喷涂，其逐渐被 包装业、建筑业等行业使用。除了在工业上的应用，喷涂机器人还被用于军事上， 闻名于全球的F-22飞机就是运用喷涂机器人对机身实施喷涂的11。喷涂机器人的离线编程系统在未来将得到更成熟的发展和更广泛的应用。实际应用中可能遇到更为复杂的曲面上的喷涂作业，这就涉及到曲面分片后的喷枪路径组合问题以及每一片边界上的喷枪轨迹优化问题。面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化设计是下一步工作研究的方向12。随着加工制造业的不断发展和自动控制水平的不

7、断提高，机器人将在未来得到更加广泛的应用。喷涂机器人技术也必然随之不断的提 高和进步，其他各种适合不同需求的涂装机器人也将在不久的将来得以实现。1.1.3喷涂机器人实例TRALLF喷涂机器人该喷涂机器人是1969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLF公司抓住了喷漆作业要 求连续不问断的特点，使得该机型的设计是成功的，目前这种机型占世界喷漆机器人总拥有量的80%该机器人手臂为多关节式，采用电液驱动，由电脑控制，是一种 示教再现式工业机器人。TRALLF喷涂机器人手腕部分细长，近似于人的手腕，动作 灵活，操作轻便，可伸到狭窄空间进行喷涂，手腕采用万向节，易于示教，存储装置 的存储容量大，能实现连续

8、轨迹和点位控制，编程容易，动作平滑。后来该公司还推出了 TR-4000型喷涂机器人，其采用了多项新技术。执行机构配有新的平衡系统； 采用可简化执行机构动作编程的新型分离活塞油缸；新型控制装置存储容量很大，具 有很强的编辑功能和自诊断功能。PJ- 1型喷涂机器我国第一台国产喷涂机器人是 PJ 1型喷涂机器人。由北京机械工业自动化研究 所研制并生产，是具有微机控制、示教再现、电液伺服驱动、5个自由度、关节式喷涂机器人。该机器人解决了许多机器人存储容量小的问题，使机器人示教时间超过了 当时国际先进水平的TRALLF400经济型喷涂机器人，实际应用效果也与其相当。 PJ-1型喷漆机器人是我国最成熟、应

9、用量最多的机器人。紫外线自喷涂装设备本科毕业设计说明书( 论文)第I页共I页2003年日本推出一种紫外线自动喷涂设备， 有喷涂枪和喷涂机器人两种13。它采 用低压喷枪，可节省涂料20%30%减少了有机废气，并避免臭氧层的破坏，由于喷 涂是用紫外线辐射，干燥时间短，涂层硬度高。IRB52小型喷涂机器人2007年，瑞士 ABB公司推出新款机器人一一IRB5214。其喷涂解决方案以其独特 的集成工艺系统（IPS）为核心，可帮助现代制造企业提高喷涂品质，优化涂料消耗、 缩短节拍时间，实现精确快速的工艺控制并简化生产统计数据的收集，全面提升了应 用设备的人性化水平。1. 2喷涂机器人的特点和组成1.2.

10、1喷涂机器人的特点喷涂机器人是一种机体独立、动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位， 自动化程度高的自动喷涂机械。喷涂机器人除了具有示教再现功能外，还具有操作灵 活方便、占地小、操作空间大、手腕紧凑、负载轻、精度较低、防爆等特征。喷涂机器人可分为专用和通用型。 前者操作喷枪运动的自由度不大于4个，适合于 大批量生产流水作业，对形态变化不大的工件表面进行喷涂，动作比较简单。后者操 作喷枪的自由度不少于5个，它能十分灵活地模仿人的手臂和手腕的动作，对各种复 杂的空间曲面进行喷涂。喷涂机器人的臂部运动形式多采用关节式。其手臂由大臂和小臂两部分组成，大 臂与小臂之间以及大臂与机身之间均有关节（铰链

11、）连接，并有人手臂的某些特征。多 关节式手臂有较强的越障碍物的功能，动作范围是四种形式中最大的，非常适合于喷 涂作业。由于喷涂工作的表面形状大多较复杂，数学模拟极为困难，所以通用喷涂机 器人必须配备示教再现编程方式。1.2.2喷涂机器人的组成喷涂机器人系统主要由执行系统，驱动系统、控制系统以及检测机构组成，喷涂 及其辅助设备没有什么特殊要求图1 1 ABB公司喷涂机器人1. 3喷涂机器人发展趋势随着机器人生产商为客户定制机器人，喷涂机器人需在以下几个方面进一步展， 以满足越来越多客户的使用需求，使喷涂机器人的应用范围更为广泛。(1) 为客户提供更加完整的解决方案，设计出超越客户所提要求的机器人

12、。(2) 研究和发展喷涂装置的小型化，以满足越来越多如消费类电子产品等小零 件的喷涂和特殊环境下的喷涂15。(3) 开发开放式结构机器人控制器，使用户可以方便的扩展和改进其性能。(4) 实现喷涂机器人的模块化，使其方便安装和维护，并且紧凑可靠16 o(5) 优先考虑“系统发展方式”，实现喷涂机器人与外界设备的互联和协调工作, 并制定机器人语言规范，特别是动作级的编程语言规范 17 o(6) 大力研究开发对复杂自由曲面进行无人干涉的全过程自动喷涂的智能喷涂 系统。1 . 4课题研究意义随着国际制造业交流的日益广泛，中国的制造业正面临着与国际接轨， 参与国际 竞争的局面。适应快速变化的国内外市场需

13、求，以高质量、低成本、快速反应的手段 在市场中取得生存和发展是我国企业必须向国外同行学习并提高自身竞争力的根本。工业机器人的出现很好的解决了传统制造业中的一些难题，使得工业机器人在制造业中有很大的市场。喷涂机器人如今应用在很多领域，如喷釉机器人、喷漆机器人、喷 浆机器人等。喷涂机器人的应用越来越广泛，需求也越来越大，再加上其经济性也随 着科技的进步而愈发突出，所以对喷涂机器人的研究是相当有意义的。本课题设计的是一种经济型的简易喷涂机器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上 下和左右摆动，机身的回转运动，它可以应用于汽车车身喷涂生产线中，结构简单实 用。2总体方案设计1机械结构类型的确定本科毕业设计说

14、明书（ 论文）第I页共I页工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和 平面关节型18。（1）直角坐标式机器人这种机器人的外形轮廓与数控镗铣床或三坐标测量机相似。这种形式的主要特点是：a.结构刚度高，多做成大型龙门式或框架式机器人；b.3个关节的运动相互独立， 没有耦合，不影响手爪的姿态，运动学求解简单，不产生奇异状态；c.工件的装卸、夹具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制；d.占地面积大，动作范围小；e.它的控制方式与数控机床类似；f.操作灵活性较差。（2）圆柱坐标式机器人SCAR机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。个关节是移动关节，用于完成

15、末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是 由两旋转关节的角位移及移动关节的唯一决定。这类机器人结构轻便、响应快，运动 速度比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。（3）球（极）坐标式机器人这类机器人占地面积小，工作空间较大，移动关节不易防护。（4）关节式机器人这类机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。这种构件动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面 积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，这类机器人运动学较复杂，运动学反解困 难；确定末端件的位姿不直观，进行控制时，计算量比较大。由上面中各种坐标形式的比较，

16、初步选用关节坐标型。课题中要求实现喷涂机器 人的连续轨迹控制（CP，查阅现代工业中实际使用的机器人， 如挪威生产的TRALLFE 喷涂机器人为关节型机器人，6自由度，采用示教一再现方式，既可实现点位控制， 也可实现连续轨迹控制，则最终确定喷涂机器人采用关节坐标型。2. 2自由度数的确定自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手抓（末端操作器）的开合自由度19。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也 可能大于六个自由度。本课题设计要求机身左右旋转110，大臂前仰30。，后仰10，小臂俯仰土

17、 30，腕部左右摆动土 110,上下摆动土 110，因此可知喷涂机 器人的自由度为五个。五个自由度中，机身的左右旋转、大臂的前后俯仰和小臂的前 后俯仰三个自由度实现喷涂机器人的位置移动， 腕部的左右摆动和上下摆动两个自由 度实现喷涂机器人的姿态变化。2. 3驱动方式的确定此处省略nnnnnnnnnnNN。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩驱动装置是使机器人各个关节运行起来的传动装置。机器人的驱动方法一般有三种：液压、气动、电动20。液压驱动以高压油为工作介质。液压驱动机器人的抓取能力可达上百公斤，液压 力可达7MPa结构

18、紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温 或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。气压传动时最简单的驱动方法，原理与液压相似。这种机器人结构简单，动作迅 速，价格低廉。由于空气具有可压缩性，因此这种机器人的工作速度慢，稳定性差； 其气压一般为0.7MPQ故此类机器人适宜抓取力要求较小的场合。电动传动是目前在工业机器人中用得最多的一种，这不仅是因为电动机品种众多可供选择，更因为可以运用多种灵活的控制方法。电力驱动是利用各种电动机产生的 力或力矩，直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度、加速度。电 力驱动具有无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率

19、高等优点。电力 驱动可分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、无刷伺服电动机驱动等。机器人的控制一般可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。查阅喷涂机器人实 例，可知喷涂机器人多采用开环控制。步进电机一般用在开环伺服系统中，这种系统 没有位置反馈装置，控制精度相对较低。交、直流伺服电机用于闭环和半闭环伺服系本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页 统中，这种系统中有位置反馈装置，控制精度很高。本课题中其喷涂机器人的位置精度不高，结合表2 1中各电机性能特点，确定喷涂机器人采用步进电动机进行驱动。表21电机性能特性对比表电机类型分类原理控制特点步进电机可变磁阻式 永磁式 感应式直接将电脉冲信号转

20、换成转 角，每输入一个脉冲，步进电 机就回转一定的角度，其角度 的大小与脉冲数成正比，旋转 方向取决于输入脉冲的顺序。由脉冲发 生器、环形 分配器、功 率放大器 进行控制。可在很宽的范围内 通过改变脉冲频率 来调速，能够快速 器动、反转和制动， 有较强的阻碍偏离 稳定的抗力。控制 精度不咼，输出的 转矩随着脉冲频率 的升高而减小，速 度太高时会出现失 步、振荡以至停转。直流伺服电机永磁式他激式 并激式 串激式直流电机有定子和转子两大部 分组成，疋子上有磁极（绕组 式或永磁式），转子有绕组，通 电后，转子上也形成磁场（磁 极），定子和转子的磁极之间有 一个夹角，在疋转子磁场（N极 和S极之间）的

21、相互吸引下， 是电机旋转。改变电刷的位子， 就可以改变定转子磁极夹角 （假设以定子的磁极为夹角起 始边，转子的磁极为另一边， 由转子的磁极指向定子的磁极 的方向就是电机的旋转方向）由电枢控 制或激磁 控制。电机的惯量小，快 速响应性能好，可 以频繁地起动、制 动、正反转工作， 换向性能好，寿命 长，输出力矩平稳 负载力矩变化时， 对转速的影响不 大，机械特性很硬。 但电刷易磨损，且 易形成火花。本科毕业设计说明书（ 论文）第I页共I页的方向，从而改变电机的旋转 方向。续表2 1交流伺服电机同步l=L 十.异步与直流伺服电机 的工作原理相似。有幅值控制、相 位控制、幅相控 制等控制方法。由于没有

22、电刷等磨损元件， 比直流电机的结果简单、运 行可靠以及维修方便；外形 尺寸小；能在重载下咼速运 行；加速性能好；能实现动 态制动；能实现平滑运动； 控制复杂。2. 4传动方式的确定传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。下表22列出了一些常用传动机构的性能对比表。表22常用传动性能对比表序号类别特点轴间距应用场合齿轮传动响应快，扭矩大，刚性好，可实现旋转 方向的改变和复合传动不大腰、腕关节谐波传动大速比，同轴线，响应快，体积小，重 量轻，转矩大零所有关节摆线针轮行星传动（RV大比速，同轴线，响应快

23、，冈性好，体积小，重量轻，回差小，转矩大零前二关节， 特别是腕 关节涡轮传动大比速，交错轴，体积小，回差小，响 应快，刚性好，转矩大，效率低，发热 大交错不大腕关节手抓机构链传动速比小，扭矩大，刚性与张紧装置有关大腕关节齿形带传动速比小，转矩小，刚性差，无间隙大各关节的一级传动续表2 2钢带传动速比小，转矩小，刚性与张紧装置有关，无间隙大腕关节钢绳传动速比小，无间隙特大腕关节，手抓机构连杆及摇块传 动回差小，冈性好，扭矩中等，可保持特 定位移，速比不均大腕关节，臂关节滚动螺旋传动效率咼，精度好，刚性好，无回差，可实现运动方式改变，速比大零直动关节， 手抓机构(11)齿轮齿条传动效率咼，精度好，

24、刚性好，可实现运动 方式改变交错直动关节， 手抓机构工业机器人的传动机构有以下几项基本要求21:（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。（2）传动刚度大，即由驱动器的出轴到杆件的转轴在相同的扭矩时角度变形要小,这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动。（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精 度。（4）寿命长、价格低。2.4.1 机身传动方式的确定由本课题中的设计要求可知，机器人的大臂连接在机座上，机座的旋转带动整个 大小臂一起旋转，实现喷涂机器人位置的变化，转矩相比而言较大。比较表22中的各种传动方式的特点，结合实际要求初

25、步选择齿轮传动和谐波 传动。查阅机器人中的常用的齿轮传动机构可知行星齿轮传动机构和谐波传动机构是 机器人上用得较多的。在本课题中采用渐开线圆柱直齿轮传动。这种传动的优点是： 消除了轴向力，降低了对轴承和箱体的要求；径向力与传动负载的大小成正比， 对于压力角为20的标准齿轮，径向力大约是传动的 0.35倍；传动的速度和功率本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页 范围很大；传动效率高，高精度齿轮传动效率可达 99% ;瞬时传动比恒定，工作 平稳性较高；结构紧凑。但其传动有噪音、冲击和振动，且需要调隙 22。为了降低传动过程中的噪音和振动，可以提高传动齿轮的制造精度，这样可明显 降低传动过程中的

26、噪音和振动，提高抗冲击的能力，而且传动间隙可减小，提高传动 的平稳性。242 大小臂传动方式的确定本课题设计中要求喷涂机器人的大臂绕大臂与机座的转动中心前仰30,后仰10，小臂俯仰土 30。根据设计要求查看表22,初步选择谐波传动、滚动螺旋传 动。滚动螺旋传动有以下特点22: 传动效率高达0.90.98，平均为滑动螺旋的23倍，可节省动力1/23/4， 有利于主机的小型化及减轻劳动强度。 摩擦力矩小，接触刚度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态特性 和提高工作精度。 工作寿命长，平均可达滑动螺旋的 10倍左右。 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高。 具有很好的高速性能。 具有传动

27、的可逆性，既可把旋转运动变为直线运动，也可把直线运动转化为旋 转运动，且逆传动效率与正传动效率相近。 已经实现系列尺寸标准化，并出现了冷轧滚珠丝杠，提供了多用途的廉价产品， 应用于精度要求不是很高的场合，节能并延长寿命。谐波传动相比滚动螺旋传动，其刚度没有后者高，传动有间隙，传动效率只达到 80%90%，柔轮有疲劳问题，扭转刚度低。最终选择滚动螺旋传动来实现大小臂的 俯仰运动。2.4.3 腕部传动方式的确定腕部是机器人的小臂与末端执行器（手部或称手抓）之间的连接部件，其作用是 利用自身的活动度确定手部的空间姿态。手腕的驱动方式一般有远程驱动和直接驱动两种。直接驱动传动线路短，冈寸度好，但腕部的

28、尺寸和质量大，惯量大。本课题中采 用远程驱动，其电机安装在机器人的大臂、机座或小臂远端上，通过连杆、链条或其 他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页 器人的整体动态性能有好处。本课题中喷涂机器人的腕部上下摆动并左右摆动， 是二自由度手腕。根据表22, 初步选择齿轮传动和链传动。查阅资料，发现一小型电动喷涂机器人EF 500S其为关节式结构，有5个自由 度，操作机腕部布置两个相互垂直的伺服轴，能方便地产生喷枪的姿态变化动作。小 臂和减速机之间用链条、链轮传动。这种机构既把大、小臂之间的运动分开，互不影 响，又可实现小臂

29、平衡机构的力矩传递。该机构紧凑，传动简单。根据实例，本课题最终采用链条、链轮传动，电机输出动力后，由链条、链轮将 运动上传到小臂前端，再通过锥齿轮传动给腕部，实现腕部的上下摆动和左右摆动。2. 5平衡方式的确定机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载又较大，当运动状态变 化时，将产生冲击和振动。这将不仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运 转。为了提高工作平稳性，在设计时应采取有效地缓冲装置吸收能量。臂杆作为主要的运动部件需要重点考虑。为了减少驱动力矩和增加运动的平稳 性，大、小臂杆一般都需要进行动力平衡。臂杆平衡技术对提高操作机的整体性能和 动态特性十分重要，也是简化编程和控

30、制的重要措施。常见操作机臂杆的平衡技术有 四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电机。弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明，在关节模型中，只要采用合适刚度和 长度的弹簧平衡系统，可以全部平衡关节模型重力项。本课题采用弹簧平衡，其结构 简单，通过适当改变弹簧的长度和刚度的修正即可达到所需的平衡要求。本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页2. 6喷涂机器人总体装配示意图总结以上各种方案的选择，确定喷涂机器人的总体装配示意图如下图所示: 驱机 部电n图23喷涂机器人总体装配示意图本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页3喷涂机器人大臂设计3. 1大臂和小臂长的设计图3 1是

31、关节型机器人工作空间的示意图4图3 1机器人工作空间的示意图 图中，li、J分别为大臂和小臂的长度；弓mi、tmax分别为大臂的俯仰角度；2m i n 712 max分别为小臂的俯仰角度。根据工作空间的范围：长3宽3高 =26003 12003 900mm,结合示意图可以得到以 下关系式：2(hsi nmax 12)-2600(3.1)11 sinKmax J l1 sinimin - J COSmin Emin )丄 1200(32)12 Sin(?l2min Wmax) l2Sin(?l2min Kmin ) h COST1min _ h COS?l1max 亠 900(3.3)由于-1m

32、in =1。， Mmax =30，二2min = 30 , max = 30 ,将数据代入上述关系式可求解得到：11 =1004.5 mm12 =11864 m根具所得值圆整：l1 =1100 mI2=1200 m3. 2大臂臂身的设计3.2.1 大小臂连接处的设计考虑到小臂系统、腕部是由链轮链条和锥齿轮传动，带动手腕部分上下摆动和左 右摆动，应选用远距离间接传动方式，所以手腕部分的驱动电机设计在机座上，可以 减轻小臂和大臂的质量，使系统运行更加稳定。因此在大臂小臂连接的关节处就需要 安装链轮实现二级传动。大臂和小臂采用的连接方式如图32。图32大小臂连接关节剖视图322 小臂驱动电机安装位置

33、小臂驱动方式采用的是螺旋驱动，因此，小臂驱动系统需要安装在大臂臂身上进 行固定。考虑到系统配重问题，在系统工作过程中增加系统稳定性，降低系统重量， 在大臂上伸出的板上做耳环，用来固定小臂驱动电机。其安装的具体结构如图33所示。3.2.3 腕部驱动电机安装关节一般机器人腕部驱动电机安装在机器人的小臂或大臂上，这种安装方法会增加机器人臂部的重量，降低机器人臂部运行的灵活性。考虑到减轻机器人臂部重量的因素， 采取将腕部电动机安装在机座上，通过联轴器与伸入大臂内部的轴相连，在通过链轮 链条将动力传至机器人手腕，实现腕部的上下摆动和左右摆动。由于大臂要做前后俯 仰运动，因此腕部电机需要铰接在机座上，使腕

34、部驱动电机随大臂前后俯仰。其腕部 驱动电机的具体安装如图34所示。本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页技动亘座 3/0图34腕部驱动电机安装关节3.2.4 大臂壳体结构（1）材料的选择根据设计要求，机器人手臂要求完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为 运动的部件，它应是轻型材料。而另一个方面，手臂在运动过程中往往会产生振动， 这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综 合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂选用的材料与一般结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受 到控制，因此要考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性应和材料的可加工性、

35、结构性、质量等性质受到同等重视。常用的机器人手臂材料有结构材料（如钢，铸铁等）、轻型材料（如镁合金、铝 合金等）、刚性材料和防震材料。本课题采用 ZL401，其为铝锌合金，其铸造性好，符 合材料的选用要求。（2）截面的确定机器人连杆设计一般要求受到许多条件限制，有些甚至是相互矛盾的。这些限制 可分为： 为了给电线、信号线、软管、功率传送装置及控制杆等提供通道，机器人连杆 内部要留有空腔部分； 为了减少浪费工作空间，手臂的外形尺寸要受到限制； 为了减少惯性力，连杆应尽可能的轻，同时有能承受电机和驱动器产生的最大 负载； 在连杆质量确定后，连杆应具有尽可能高的弯曲和扭转刚度。通过选择合理的连杆截面

36、形状，可较好地满足上述限制。机器人连杆截面的基本本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页 形状为空心圆截面和空心矩形截面。当质量相同时，正方形空心截面不仅比空心圆截 面的壁更薄，而且刚度还提高了 40%60%。另外，正方形截面的内部空腔面积比圆 面积都要大43%76%。结合上述所提要求和截面对比，本课题中采用空心矩形截面，其具体结构如下图 35所示。(3) 大臂的形状通过上步对截面形状的确定，此时只需选择合适的尺寸，以满足工作空间的要求 和大臂内部部件的放置的合理性。设计示意图如图36所示。16+图35大臂截面11QD0130020DO.i一 42工4己038別。丄|图36大臂结构剖视图co

37、J 1本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页2. 3大臂系统设计3.3.1 大臂驱动电机安装大臂系统的驱动采用的是步进电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母相对于丝杠做直线往复运动，以推动大臂摆动。大臂驱动电机就需要固连在转盘上以找到支撑点。由 于大臂是做摆动，固连在大臂上的支点走过的路径就是一条弧线。这就需要大臂驱动 电机铰接的固定在机座的转盘上，在机器人工作时随机器人大臂进行一定角度的旋 转，以保证丝杠与大臂始终保持垂直的关系，否则对电机、丝杠就会造成损害。丝杠 螺母固定在大臂体中，其中心距大臂与底座的转动中心200m下图3 7给出了大臂驱动电机安装在机座转盘上的方法。G-0-3图37大臂驱动

38、电机安装本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页步进电机的选择本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页（1）计算大臂的质量和相应的转动惯量m大臂=m实-m空（3.4）m实=BHI（3.5）(3.6)=bhlJ大臂(3.7)1 2 2 2J实m实(BH ) m实d(3.8)12J 空空(b2h2) m空 d2(3.9)12其中：B大臂的外宽（mm） , B=128mmH大臂的外高（mm） , H=164mb大臂的内宽（mm） , b=128-23 16=96mh大臂的内高（m） , h=164-23 16=1

39、32mI 大臂的长度（mm） , I =1100md旋转中心的偏移量（m） , d=550m33，一大臂材料的密度，=2.7 3 10 kg / m代入数据得：m实=2.7 3 1033 0.1283 0.1643 1.1=62.346 kg3m空=2.7 3 103 0.0963 0.1323 1.1=37.636 kg m大臂=m实-m空 =62.346-37.636=24.71 kg考虑到大臂内部其它零件的质量，m大臂=24.713 1.仁27.181 kg取m大臂=27 kgJ实 162.346(0.12820.1642)62.3460.5519.08kktf12j空二丄37.636(

40、0.09620.1322)37.6360.5511.47kg卅12J大臂=J实- J空=19.08-11.47=7.61 kktf(2)计算大臂摆动所需的转矩J总=J大臂J小臂J手腕J负载(3.10)(3.11)=（J大臂 J小臂 J手腕J负载）厂t启(3.12)(3.13)M 摩二 0.1M 11=r（3.14）其中：Mu 大臂转动所需的转矩（N2 mM惯一大臂转动产生的惯性转矩（N2 mM摩一摩擦所产生的转矩（N2 mt启一启动时间（s）， t启=0.5s大臂前端的工作速度（m/s），、=0.6 m/s大臂的摆动角速度（rad/s）l 小臂距离大臂转动中心的距离（mm, l=1100mmJ

41、小臂=7.65 kgtf, J手腕=：1 kgtf, J负载=2 kgtf代入数据得：v0.6 c匚亠0.545 rad/sl 1.1coM惯=（J大臂J小臂J手腕J负载）厂t启0 545-（7.617.65 12）0.5=19.9 N 2 m所以有：0.9M/19.9 N2 mMl1=22.1 N2 m依此可以初步选择步进电机类型。表3 8是北京和利时电机技术有限公司部分130系列混合式步进电机的技术数据。表38 130系列混合式步进电机的技术数据型号相 数步距角 ( )静态 相电 流(A)相电 阻(Q)相电 感(mH)保持转矩(N2m)电压(VDC重量(Kg)转动惯量(g2 cm2)130

42、BYG350CH-SAKRMA-0602；30.6/1.261.7514.6238035013.525000130BYG350DH-SAKRMA-0602；30.6/1.262.018258035016.530000130BYG350EH-SAKRMA-0602；30.6/1.262.322358035017.535000130BYG350FH-SAKRMA-0602；30.6/1.263.029458035022400001 308Y G J5OC H -S AK RM A-0602林科 翼* iKIKzl札iQ.ci100.4tejome# aH 遵 I ifwft lJ4130BYG35

43、0DH-SAKRMA-OG02* 1W 冷(*1KH)1 30BYG350EH SAKRMA-0602fdt 41-01 10611，满足寿命要求。本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页4平衡装置的设计为了减小驱动力矩和保证大臂的运动平稳，需要给大臂安装平衡装置。机构的平 衡有质量平衡、弹簧力平衡和气动和液压平衡方法三种。质量平衡就是在质量较轻的 一侧增加重物块，使机构两侧达到平衡。但这种平衡方法适用于运动平稳和重心位置 移动不大的机构，本课题的涂装机器人大臂需要做前后的俯仰运动，重心位置随大臂 的位置变化，同时如果采用质量平衡将凭空增加机器人的质量，影响机器人的运动特 性。气动和液压力平

44、衡的原理和弹簧力平衡的原理相似，其显著的优点是平衡缸中的 压力是恒定的，不会随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和 控制。但平衡缸的制造和安装比较复杂，考虑经济性和工艺性，决定不用气缸平衡。 弹簧结构简单，对整体质量影响不大而且不需要动力源，所以应用很普遍，而且给弹 簧加上调节装置可在安装机器人时将机器人的平衡调节到最佳位置。所以采用弹簧来进行实现大臂的平衡。当大臂带上弹簧时的受力情况如图 310所示Qxi,Qx2 ,Qw,Qz分别为小臂、腕部和负载的重力，Fq为弹簧因形变产生的拉力M YF 丄（3.19）可利用大臂旋转中心两侧的力矩平衡先求得弹簧需要提供的拉力大臂前俯30时

45、位置情况如图311所示：大臂质量md =27kg小臂质量mx =30kg腕部质量mw =1kg负载质量mF = 2kg本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页由公式3.19有:Mi= _mdg0.552mxg (0.550.65) mwg 1.55 mF g 1.75本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页=27 10 0.27530 10 1.2 1 10 1.55 2 10 1.75= 484.75N m图311大臂前俯30时位置图本科毕业设计说明书( 论文) 第I页共I页本科毕业设计说明书( 论文)

46、第I页共I页大臂垂直状态时的位置情况如图 312所示:本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页图312大臂垂直时的位置图本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页由公式3.19有:-mxigmx2g 0.5 mwg (1年)mFg 1.2本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页300300二-3010 0.15 3010 0.5 1 10 1.1130013002 10 1.2= 140N m大臂后仰10时的位置情况如图313所示：由公式3.19有：0 4344M

47、3 二一md g 0.55sin 10一mgmg (0.845 0.197)20 197mwg (0.845) mFg (0.8450.197)2= -27 10 0.55 0.1736 -3010 0.2172434.4+845.9845.93010 0.423 1 10 0.944 2 10 1.042434.4 845.9= 66.24N m本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页图313大臂后仰10时的位置图通过公式（3.19 ）的逆运算可求得不同位置时所需弹簧提供的拉力:M148472183.6Nd1-0.222m2140d2-0.312 -M366.24d3-0.337 -448

48、.7N196.6NFq2Fq3本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页弹簧的设计计算：d=8mm1）根据要求选用碳素弹簧钢丝（GB4357-89C级）。初步假设钢丝直径取 G=79GP，查表得匚 b =1420Mpa。!丨-(0.32 0.38)6 =(0.32 0.38) 1420 =454.4 511.2(MPa) b 】=550M P 最大试验载荷应力= 0.44 x 1520 = 624.8Mpa。2）确定钢丝直径取旋绕比 = 6 d曲度系数K =4C -1 . .615 =253 4C 4C丝杠直径计算公式:(3.20)八1.6筝其中P2弹

49、簧的工作拉力，这里取 P2 = 1000N。各数据代入公式（3.20）得:d _1.6= 1.6.1.2531006550二 5.916mm本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页与假设基本相符合，取d=6mm3）计算弹簧圈直径弹簧中径：D=Cd= 6 6 = 36mm弹簧内径：D1 =D d =366=30mm弹簧外径：D2 二 D d = 36 6 二 42mm4）计算弹簧刚度(3.21 )P2 -RI? - h上式中：P 弹簧的工作拉力，这里取 P = Fq1 = 1092N ；l1 与P对应的弹簧长度，h = 583.6mm;l2与P2对应的

50、弹簧长度，咕二691.6mm。本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页代入公式得:5)Pl2-R_l1计算弹簧圈数GDn 8C4P1092一100 8N/mm691.6-583.6(3.22 )本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页GD78000 36代入各数据得:n4429.88圈8C4P8 64 9.18取n=30圈6)计算弹簧初拉力本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页(3.23 )0100C本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（

51、 论文） 第I页共I页二d3P0=8D(3.24)本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页代入数据得:G 0100C代入公式3.24得:.3兀dPo08DJ 63131.67 = 310N8 36本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页(3.25)7）计算弹簧的变形本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页上式中l 变形量;p与形变对应的拉力。将R,P2,Pj分别代入公式（3.25 ）得:本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页

52、共I页I1p1 - p0Ip100-3109.18-22.88mml2P2 - p0Ip1092-3109.18=85.19mm本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页8）计算其他结构参数(3.26)(3.27)H0 =（ n 1）d 2D1-二 arctg : D上式中：H。一一自由长度；:-螺旋角；t弹簧节距，t :“d =6mm代入数据得：自由长度H。= (n 1)d 2D1=(30 1) 6 2 36=258mm弹簧变形后长度:H! = Ho ：;； , ：！ = 258-22.9 = 235.1mmH 2 二 Ho 亠、12 二 258 8

53、5.2 = 343.2mmt6:-=arctg arctg3.038二D理泊36根据以上计算，选定的有关参数为:材料为碳素弹簧钢丝，钢丝直径为 6mm旋绕比为6,弹簧中径30mm弹簧右旋,螺旋角为3.038:自由长度为258mm为尽量使弹簧能满足不同平衡的平衡要求，在 弹簧两端加上螺纹结构，安装时用螺母调节弹簧的长度以改变拉力大小，使大臂保持 平稳。本科毕业设计说明书（ 论文） 第I页共I页结论经过一段时间以来郭钢老师的指导以及本人和小组成员的共同努力，终于完成了本次毕业设计的内容。本人的设计任务是喷涂机器人大臂系统的设计，由于个人经验 和能力有限，尚有许多不足的地方有待完善，恳请老师提出宝贵的意见。在喷涂机器 人大臂系统的设计过程中，主要完成了以下任务：1. 通过大量阅读关于喷涂机器人的资料文献，对工业机器人尤其是喷涂机器人的 发展史、意义、用途有了一定的了解。并凭借这些资料，完成了开题报告和外 文资料的翻译任务。2. 在参阅了其他喷涂机器人的设计方案和参观喷涂机器人的实体模型之后，通过与同组成员的协商论证，在老师的指导下确定了喷涂机器